無(wú)磁鋁合金連接器化學(xué)鍍鎳工藝研究

沈岳軍，孫雪松，羅華江，康鑫，安遠(yuǎn)飛

（貴州航天電器股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550009）

某軍用無(wú)磁性連接器要求剩磁等級(jí)為NMB(即剩磁Br≤200 nT)，筆者所在公司的連接器為鋁合金化學(xué)鍍鎳產(chǎn)品，因剩磁不合格而面臨返工和報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度。本文先分析了剩磁不合格零件表面化學(xué)鍍鎳層的組織結(jié)構(gòu)，找出剩磁不合格的原因，再通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)優(yōu)化化學(xué)鍍鎳工藝，最終得到產(chǎn)品剩磁合格的工藝條件，為后續(xù)深入研究和實(shí)際生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 鋁合金化學(xué)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(yù)鍍鎳→化學(xué)鍍鎳→烘干。

化學(xué)鍍鎳采用深圳市恒享表面處理技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HAS-8728系列高磷化學(xué)鍍鎳藥水，工藝條件為：鎳離子質(zhì)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(shí)為1 MTO)，鍍層厚度(20 ± 2) μm。

1.2 性能檢測(cè)

采用Fischer XDV-SDD型高精密X射線熒光鍍層測(cè)厚儀測(cè)量鍍層厚度，每個(gè)樣品測(cè)試5次，取平均值，并計(jì)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(cè)定整體鍍層的P質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

采用島津XRD-7000 X射線衍射儀(XRD)分析鍍層的晶體結(jié)構(gòu)。

采用中國(guó)空間技術(shù)研究院的剩磁測(cè)試設(shè)備檢測(cè)鎳鍍層的剩磁。

2 鋁合金化學(xué)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(jiàn)鋁合金基體自身的磁性能合格，產(chǎn)品磁性能不合格主要與Ni鍍層有關(guān)。

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(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.88%和10.91%，均大于10%。進(jìn)一步采用X射線衍射儀分析Ni鍍層的相結(jié)構(gòu)，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(jiàn)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(guān)的特征峰(見(jiàn)圖1b)，說(shuō)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(xué)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(biāo)。

(2) 前處理過(guò)程引入了磁性元素，如預(yù)鍍一層帶磁性的低磷鎳。

(3) 化學(xué)鍍鎳層種類。低磷(P質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2% ～ 5%)Ni為微晶態(tài)結(jié)構(gòu)，帶磁性；中磷(P質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6% ～ 9%)Ni為微晶態(tài)或晶態(tài)結(jié)構(gòu)，帶磁性；高磷(P質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%)Ni為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，無(wú)磁性。

(4) 化學(xué)鍍鎳后熱處理工藝。一般隨熱處理溫度升高，鍍層中的P會(huì)以Ni3P的形式逐漸析出，使鍍層由非晶態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)結(jié)構(gòu)。

本工藝所用的鋁合金基材剩磁合格，鍍前處理、化學(xué)鍍和鍍后處理均采用無(wú)磁工藝。高磷化學(xué)鍍鎳件剩磁不合格主要與鍍層磷含量分布不均有關(guān)，而影響化學(xué)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(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)對(duì)化學(xué)鍍鎳工藝進(jìn)行優(yōu)化。

3 化學(xué)鍍鎳工藝的優(yōu)化

3.1 單因素試驗(yàn)

3.1.1 鍍液pH對(duì)磁性的影響

鍍液pH顯著影響化學(xué)鍍鎳的沉積速率，而沉積速率又會(huì)影響鍍層結(jié)構(gòu)。前期規(guī)定的施鍍pH為4.5 ～ 5.1，波動(dòng)范圍較大。因此，在Ni2+質(zhì)量濃度5.8 ～ 6.0 g/L、溫度87 ～ 89 °C和pH不同的條件下化學(xué)鍍鎳。從表1可知，pH為4.9 ～ 5.1時(shí)，沉積快，施鍍時(shí)間縮短，Ni鍍層剩磁過(guò)高；pH為4.5 ～ 4.7時(shí)，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(zhì)量分?jǐn)?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(duì)磁性的影響

溫度是影響化學(xué)鍍鎳反應(yīng)活化能的主要參數(shù)之一，溫度過(guò)低不利于化學(xué)鍍鎳反應(yīng)的順利進(jìn)行，溫度過(guò)高則容易造成鍍液分解[2]。從表2可知，Ni2+質(zhì)量濃度為5.8 ～ 6.0 g/L，pH為4.5 ～ 4.7時(shí)，隨溫度升高，沉積速率增大，鍍層的P質(zhì)量分?jǐn)?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(zhì)量分?jǐn)?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(zhì)量濃度對(duì)磁性的影響

鎳離子濃度是化學(xué)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(shí)，隨Ni2+質(zhì)量濃度增大，沉積速率增大，Ni鍍層的P質(zhì)量分?jǐn)?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(zhì)量分?jǐn)?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(duì)磁性的影響

從表4可知，在Ni2+質(zhì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，剩磁減小?？梢?jiàn)鍍液使用周期對(duì)剩磁有一定的影響。

表4 不同周期下的沉積速率及所得Ni鍍層的剩磁和P質(zhì)量分?jǐn)?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(yàn)

由單因素試驗(yàn)結(jié)果可知，鍍液使用周期、溫度、pH和鎳離子質(zhì)量濃度都會(huì)影響Ni鍍層的P含量和剩磁，因此如表5所示進(jìn)一步通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化得到不同鍍液使用周期時(shí)的較佳工藝參數(shù)，以提高Ni鍍層的剩磁合格率，試驗(yàn)結(jié)果和均值分析分別見(jiàn)表6和表7。

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

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果 Table 6 Results of orthogonal test

表7 正交試驗(yàn)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(xué)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(xué)鍍鎳無(wú)磁工藝參數(shù) Table 8 Process parameters for electroless plating of nonmagnetic high-phosphorus nickel coatings

4 結(jié)論

造成鋁合金高磷化學(xué)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(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)得到不同鍍液使用周期內(nèi)的較優(yōu)施鍍參數(shù)，使得產(chǎn)品的剩磁合格率提高。