AM50镁合金表面直接化学镀研究.pdf

第6 1 卷第3 期 2O O9 年8 月 有色 金 属 N o n f e n ．o u sM e c a l s V 0 1 ．6 1 ．N o ．3 A u g ． 2O09 A M 5 0 镁合金表面直接化学镀研究 张道军，邵红红，蒋小燕 江苏大学材料科学与工程学院，江苏镇江2 12 0 13 摘要采用磷酸和氟化钾为前处理酸洗液配方，以碱式碳酸镍为主盐，研究A M 5 0 镁合金表面直接化学镀镍一磷工艺，并 应用金相截面法对该工艺的镀层沉积速度进行了检测分析，应用x 射线衍射分析技术 x R D 、附带能谱仪的扫描电镜 s E M 、显 微硬度测试仪以及划痕测试仪等对镀层的形貌结构、成分、硬度及结合力等作检测与分析。结果表明，最佳工艺条件下所获得镀 层不仅沉积速率稳定，而且表面良好、性能优良，具有很好的实际工业应用推广意义。 关键词金属材料；A M 5 0 镁合金；化学镀；N i P 合金；镀速 中图分类号T G l 4 6 ．2 2 ；T G l 7 4 ．4 4文献标识码A文章编号1 0 0 l 0 2 1 1 2 0 0 9 0 3 一0 0 2 1 一0 3 镁合金具有高的比强度、比刚度、比弹性模量和 良好的抗冲击性、可焊接性和尺寸稳定性等优点，日 益广泛应用于汽车、机械、航空航天领域以及便携式 电子仪表、计算机、手动工具及照相机部件等方面， 并以其优良的导热性、可回收性、抗电磁干扰及优良 的屏蔽性能等特点，被誉为2 1 世纪的“时代金 属”。o 。尽管镁及镁合金有上述诸多的优异性能， 但是镁合金在使用性能上仍然存在一些缺陷，如高 的化学活性，较差的耐腐蚀性，较低的熔点及凝固时 较高的收缩率，而耐蚀性差是限制镁合金得到更广 泛应用的主要因素之一1 。 化学镀镍磷合金技术具有高均镀能力、无需电 流、工艺简便等优点，镁合金通过化学镀镍处理后得 到的镀层不仅具有较高的耐蚀性和耐磨性，还具有 金属特有的导电、导热、钎焊等性能H 。- 。化学镀层 不仅本身耐蚀性好，硬度高，并且不受工件形状尺寸 的影响。然而，在常规工业应用中，镁合金化学镀一 般采用以碱式碳酸镍为主盐，镀液成本高，稳定性 差，不能广泛应用于生产∞“1 。另外，镁合金在含有 s O 。“或c 1 一的镀液中腐蚀较快，不易得到较为理想 的镀层，所以镀液以硫酸镍或氯化镍为主盐的工艺 研究较少“ 一1 。研究了A M 5 0 镁合金的以碱式碳酸 镍为主盐的直接化学镀工艺，并对镀层的表面形貌、 沉积速率、相结构、化学组成及性能作了检测分析。 该工艺下A M 5 0 镁合金化学镀镀层性能优良，具有 一定的生产实用性。 收稿日期2 0 0 7 一0 7 2 5 作者简介张道军 1 9 7 9 一 ，男，四川安岳县人，硕士，主要从事镁 及其合金的表面处理等方面的研究。 1实验方法 1 ．1 试验材料 采用压铸态的A M 5 0 镁合金，试样规格为3 0 m m 1 5 m m 3 m m ，主要成分见表1 ⋯。 表1A M 5 0 镁合金的化学成分 T a b l e lC h e m i c a lc o m p o s i t i o no fA M 5 0M ga l l o y 成分 A lz nM ns iF ec u M g 含量／％3 ．0 1 0 9 5O ．2 8O ．0 2 2 O ．0 1 2 0 ．O 1 0 4 余量 1 ．2 试验过程 采用对镁合金进行前处理后在以碱式碳酸镍为 主盐的镀液体系中化学镀工艺。具体工艺流程为 碱性脱脂一水洗_ 酸性浸蚀叶水洗一H F 酸活化一 水洗一化学镀镍磷一1 。 1 ．2 ．1 前处理工艺。在对A M 5 0 镁合金化学镀镍 前，需要进行碱性除油、酸洗脱脂、表面活化等处理。 试样在化学镀镍前的适当预处理是至关重要的，从 以往的研究可以知道预处理对镁合金化学镀成功与 否起着决定性的作用。不适当的预处理会引起镀层 外观变差、结合力降低和孑L 隙率增加等H 。7o 。 1 预磨。先用粗砂纸除去试样表面覆盖物， 再用细砂纸打磨，直到表面光亮平滑为止。 2 碱性脱脂。目的是去除镁合金表面的油脂 和污物，直至整个基体表面亲水，水膜连续不断裂。 工艺条件为6 2 9 ／LN a O H ，1 0 9 ／LN a 3 P 0 4 1 2 H 2 0 ， 温度7 0 ℃，时间1 0 m i n 。 3 酸性浸蚀。目的是除去金属表面的氧化 物，嵌入表面的污垢及附着的冷加工削等。工艺条 件为2 0 0 9 ／L 磷酸 1 9 ／L 氟化钾，室温，时间1 0 s 。 万方数据 2 2 有色金属第6 l 卷 4 活化。目的是进一步去除丁件表面的氧化 物，及酸洗后附在工件上的残留物。工艺条件悼’”1 为3 7 5 m L ／LH F 4 0 ％ ，室温，时间1 0 m i n 。 各步骤间水洗。 1 ．2 ．2 化学镀工艺。与普通基底材料如钢铁、铝及 铝合金的化学镀相比，镁合金的化学镀镍比较困难。 普通化学镀液均含有s 0 。2 ‘或c l 一，由于镁具有极强 的化学活性，镁合金在这种镀液中施镀会使表面受 到腐蚀、产生松散的粉状沉积物以及镀液过早的分 解，而无法得到致密的镀层。因为含有s O 。。或c l 一 的溶液会较快地腐蚀镁，所以采用碱式碳酸镍为主 盐，由于这种镍源不溶于水，宜采用与镀液组成相溶 的氢氟酸溶解旧’”。1 “。镀液体系成分为1 4 9 ／L 碱式 碳酸镍、2 3 9 ／L 次亚磷酸钠、6 9 ／I ．柠檬酸、1 l g ／L 氟 化氢氨、1 2 m L ／LH F 4 0 ％ 、缓冲剂和稳定剂适量。 操作条件为p H 值6 ．5 ，采用氨水调节，温度8 5 ℃， 时间9 0 m i n ，机械搅动。3 1 。 2试验结果与讨论 2 ．1 形貌及结构观察分析 采用扫描电子显微镜对镀层形貌进行观察，结 果如图l 所示。镀层呈现典型的胞状形态特征，不 存在明显的表面缺陷，镀层均匀平整致密，无可见孔 隙。采用x 射线衍射技术对A M 5 0 镁合金化学镀镍 层的微观结构进行分析，结果如图2 。可见衍射图 在2 0 约为4 5 。处出现漫散射的宽化峰，表明镀层为 非晶态结构。 图1化学镀层表面形貌 F i g ．1 S u r { a c em o r p h o l o g yo fe l e c t r o l e s sp l a t i n g 2 ．2 镀速及成分分析 化学镀镍沉积速度由镀前和镀后质量差和总面 积及施镀时间计算而得，其计算公式见式 1 ，式 中△m 为施镀前后的质量变化，g ；p 为镍．磷合金密 度，取8 ．1 9 ／c m 3 ；5 为试样表面积，c m 2 ；f 为施镀时间 h 。经检测计算平均镀速约为0 ．3 “m ／m i n 。 i 芒 赵 噬 图2化学镀层X 射线衍射图 F i g ．2X r a yd i f T r a c t i o ns p e c t r ao fe l e c t r o l e s sp l a t i n g 『i PK9 ．7 71 7 ．0 3 N i K9 02 38 2 ．9 7 i P l l『 I ．- ～ l234567891 0 能量 图3化学镀层表面E D S 分析图谱 F i g ．3E n e r g yd i 8 p e r s i v eX r a yo fe l e c t r o l e s sp l a t i n g 移 △m ／ p s ￡1 0 4 斗m ／h 1 图3 是化学镀镍后的E D s 谱线图。从图3 可 以看到，镍磷合金镀层表面成分为镍和磷，镍质量分 数为9 0 ．2 3 ％，其中含磷9 ．7 7 ％，属于中磷镀层。 2 ．3 性能检测分析 采用H x D 1 0 0 0 T 型显微硬度计测定镀态表面 硬度。A M 5 0 镁合金化学镀镍磷后的平均显微硬度 可达5 6 6 H V ，比基体硬度1 0 0 H V 有显著提高。 结合力测试在w s 一2 0 0 0 划痕仪上进行。选取 参数为加载速度1 0 0 N ／m i n ，划痕速度3 m m ／m i n ，终 止载荷1 0 0 N ，划痕长度3 m m 。在划痕过程中，载荷 逐渐增加，到膜破裂为止。图4 为镀层未经热处理 时的划痕曲线，横坐标为压头连续加载载荷F N ，纵 坐标为声发射信号强度。 临界载荷F ，是划痕法测量膜层与基体结合力 的有力判据，可以定性说明膜与基体结合的好坏。 F ，，越大，膜层与基体的结合力越好。从图4 可以看 出，A M 5 0 镁合金基体上化学镀N i ．P 镀层的F 。大约 为2 2 N ，从划痕形貌看层与基体之间并无太大的剥 落现象，因此可以推断镀层与基体的结合力良好。 万方数据 第3 期 张道军等A M 5 0 镁合金表面直接化学镀研究 一 瓣 辣 。 魁 鹱 亲 划 怄 0l 12 03 04 0 压头连续加载载荷 N 图4 化学镀层的划痕曲线 F 培．4 S c r a t c hc u r v eo fe l e c t r o l e s sp l a t i n g 参考文献 [ 6 ] 张津， 姜晓霞， 刘新宽， 饶乾阳， 章宗和 沈伟 向阳辉 蒙继龙 3结论 以磷酸 氟化钾为前处理酸洗液、碱式碳酸镍 为镀液主盐，在A M 5 0 镁合金上能成功的沉积出表 面及性能良好的镍磷合金镀层。A M 5 0 镁合金经化 学镀镍后，镀层表面状况良好，均匀致密，孔隙稀少， 无明显的表面缺陷。各种性能测试表明，所用的化 学镀镍工艺条件以及镀液配方适合在A M 5 0 镁合金 表面镀镍。 镁合金及应用[ M ] ．北京化学工业出版社，2 0 0 4 2 1 1 2 5 6 ． 化学镀理论及实践[ M ] ．北京国防工业出版社，2 0 0 0 9 8 一1 7 5 ． 胡文彬，等．镁合金化学镀液的长周期使用[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 0 3 ，1 3 4 1 0 4 6 1 0 5 0 徐建．镁合金化学镀镍- 磷新工艺[ J ] ．新技术新工艺，2 0 0 5 ，1 3 4 6 3 6 7 ． x i a n gYH ，H uwB ，L i uxK ，e ta 1 ．I n i t i a ld e p o s i t i o nm e c h a n i s mo fe l e c t r o l e s sn i c k e lp l a t i n go nm a g n e s i u ma u o y s [ J ] ．T r a n s I M F ，2 0 0 1 ，7 9 1 3 0 一3 2 ． s h a r m aAK ，s u r e s hMR ，B h o j r a jH ．E 1 e c t r o l e s sn i c k e lp l a t i n go nm a g n e s i u ma l l o y [ J ] ．M e t a lF i n i s h i n g ，1 9 9 8 ，4 3 3 1 0 1 8 ． [ 7 ] Y a nH ． N e wT e c h n i q u e si nE l e c t r o l e s sN i c k e la n dc o m p o s i t eP l a t i n g [ M ] ． B e i j i n g ；I n d u s t r yo fN a t i o n a lD e f e n s eP r e s s ，2 0 0 l 2 3 7 8 ． 8 ] 9 ] 1 0 1 1 1 2 霍宏伟，李瑛，王福会．A z 9 l D 镁合金化学镀镍[ J ] ．中国腐蚀与防护学报，2 0 0 2 ，2 2 1 1 4 一1 7 ． 边凤刚，李国禄，刘金海，等．镁合金表面处理发展现状[ J ] ．材料保护，2 0 0 2 ，3 5 3 1 4 ． 单大勇，韩恩厚，柯伟．镁合金的化学镀镍[ J ] ．材料热处理学报，2 0 0 1 ，2 2 6 1 3 9 1 4 0 ． 闰洪，杜强，邓之福．化学镀镍基合金的组织结构和腐蚀性能[ J ] ．有色金属，2 0 0 7 ，5 9 1 5 9 李瑛，余刚，刘跃龙，等．镁合金的表面处理及其发展趋势[ J ] ．表面技术，2 0 0 3 ，3 2 2 l 一5 ． I n v e s t i g a t i o nO fD i r e c tE l e c t r o l e s sP l a t i n go nS u r I ．a c eo fA M 5 0M gA n o y s z H A N GD Ⅱo j u n ，s H A oH o n g h o n g ，jJ A GX t 。o 一，8 n _ s c o o fq 厂肘口把r i 口如S c i e n c e 。n dE 增i 凡e e r i n g ，t ，i 口n 9 5 Mu n i ”e ，苫i 秒，z e R 声Ⅱn g2 l2 0l3 ，以n ，l g s M ，C 九i n o A b s t r a c t T h ep r o c e s so ft h e d i r e c te l e c t r o l e s sN i Pp l a t i n go nt h eA M 5 0m a g n e s i u ma l l o yf r o map l a t i n gb a t hc o n t a i n i n g n i c k e lc a r b o n a t ei si n v e s t i g a t e db yu s i n gH 3 P 0 4 K Fa sa c i dp i c k l ep r e t r e a t m e n ta n d2 N i C 0 3 ‘3 N i O H 2 。4 H 2 0 a st h em a i ns a l ti ne l e c t r o l e s sp l a t i n g ． T h ed e p o s i tv e l o c i t yo ft h ep l a t i n gi sm e a s u r e db ym e t a l l o g r a p h i c a ls e c t i o n ． T h em i c r o s t r u c t u r e ， c o m p o n e n t ， m i c r oh a r d n e s sa n db i n d i n gf o r c eo ft h ep l a “n g 直r ep r e s e n t e db yu s i n gX R D ， S E M ，m i c r oh a r d n e s st e s t e ra n ds c r a t c ht e s t e r ． T h er e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h eo p t i m a lp a r a m e t e r s ， t h ed e p o s i t v e l o c i t yi ss t e a d y ，a n dt h ep l a t i n gs u I f a c ei sw e l la st h ep e I ’f b r m a n c eu pt og r a d et o o ． T h ep r o c e s si sd e s e r v e dt ob e g e n e r a l i z e di n t oa c t u a lp r o d u c t i o n ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；A M 5 0m a g n e s i u ma l l o y s ；e l e c t r o l e s sp l a t i n g ；N i Pa l I o y s ；d e p o s i tV e l o c i t y M姒㈣溉姒觚似跚呲姒o 5 4 4 3 3 2 2 l 1 万方数据