RG-281 碱性锌-镍合金工艺的研究

马 静， 吕明威

（武汉奥邦表面技术有限公司，湖北 武汉430023）

0 前言

随着现代工业和科学技术的飞速发展，人们对防护性镀层的要求越来越高，传统的纯锌镀层已不能满足生产要求。锌-镍合金中镍的质量分数一般为10%～15%，其耐蚀性和耐磨性为镀锌层的3～5倍［1］。

本文研究了锌-镍合金工艺，进行了镀液性能和镀层性能测试，并将最优条件下得到的锌-镍合金镀层的耐蚀性与纯锌镀层的进行对比。

1 试验

1.1 仪器与设备

LZ-1型赫尔槽试验仪，武汉隆泽电子有限公司；501型超级恒温水浴槽，上海圣威科学仪器有限公司；能量色散X 荧光光谱仪，江苏天瑞仪器股份有限公司；276 mL 赫尔槽，南京整流器厂；SYD-13型电镀阴极移动装置，上海实用电子研究所；SCQ-1201型超声波清洗仪，上海声严超声波仪器有限公司；恒温干燥箱，上海光地仪器设备有限公司；YWX／Q-150型盐雾试验箱，安特稳实验设备有限公司。

1.2 锌-镍合金镀液的配制

RG-281锌-镍合金镀液的配方为：氧化锌8～12g／L，氢氧化钠100～140g／L，RG-281 配位剂80～110mL／L，RG-281 镍补加剂8～12 mL／L，RG-281光亮剂1～3mL／L，温度20～30℃，搅拌速率3～5r／min，过滤速率4～6 循环／h，电流密度1～5A／dm2。

镀液的配制方法：加入1／4体积去离子水于镀槽中，加入计量的氧化锌，并调制成糊状，边搅拌边缓慢加入计量的氢氧化钠，与氧化锌一起调制成清液状态。加入去离子水至镀槽体积的2／3处，冷却至4℃以下。均匀加入计量的RG-281 配位剂和RG-281镍补加剂的混合液，加入计量的RG-281光亮剂，补加去离子水至刻度，搅拌均匀，小电流电解数小时，即可试镀。

1.3 试样的制备

将赫尔槽放在恒温水浴槽中，在恒定的电流密度下试验。

取厚度为0.2mm 的经布轮抛光成镜面的冷轧紫铜片（尺寸为5cm×5cm）作为阴极试片。

1.4 耐蚀性试验

分别采用表面积为1.0dm2、厚度为2 mm 的08F钢板试样，在完全相同的条件下，以2 A／dm2的电流密度电镀30min，并进行彩色钝化和黑色钝化，继而进行中性盐雾试验，记录表面出现白锈和红锈的时间［3-5］。

1.5 镀液分散能力试验

分散能力采用赫尔槽试片法测试。在试片的中心划一条横线，再在中心线以上10mm 处划一条与中心线平行的横线，将两线间用垂直线分隔成等距的10个方格，即每格间距10mm，弃去两端各1格，还剩余8 格。将近阳极的高电流端的镀层厚度记为δ1，以后依次为δ2，δ3……δ8。分散能力的计算公式为：

式中：δi为被选择的任一方格的镀层厚度；δ1为1号方格的镀层厚度。

测试条件：槽液温度25℃，施加电流2A，电镀时间10min。

1.6 电流效率试验

用库仑计测定法测试。库仑溶液为硫酸（d=1.84g／cm3）25 mL／L，硫酸铜125g／L，己醇50 mL／L。在θ=25℃，Jk=2A／dm2的条件下，以铜片为阴极，电镀30min。电流效率的计算公式为：

式中：m1为镀液中阴极增重；m0为库仑溶液中阴极增重；K为被测镀液阴极析出物质的电化学当量。

2 结果与讨论

2.1 镀液成分及工艺条件对镀层中镍的影响

2.1.1 氧化锌

氧化锌是镀液的主盐，提供锌离子，可在较大的范围内变化。当氧化锌的质量浓度过高时，镀液的分散能力和深镀能力变差，工件尖角处镀层粗糙，几何形状复杂的工件很可能出现阴阳面；当氧化锌的质量浓度过低时，沉积速率慢。本工艺中氧化锌的质量浓度在8～12g／L之间。

2.1.2 氢氧化钠

氢氧化钠对锌起配位作用，促使阳极溶解，提高镀液的导电性。当氢氧化钠的质量浓度过高时，会加速阳极溶解，电流效率下降，而且碱的浓度高，易黏附于工件表面，不易清洗干净，影响钝化膜的质量，镀层泛白；当氢氧化钠的质量浓度过低时，镀液的导电性变差，槽电压上升，阳极易发生钝化，电流密度范围变窄，镀层发暗、粗糙。本工艺中氢氧化钠的质量浓度在100～140g／L之间。

2.1.3 RG-281配位剂

由于锌和镍的电极电位相差较大，两者在溶液中无法发生共沉积［6-7］。而加入了RG-281 配位剂后，使两者分别以配合物的形式存在，并且形成稳定的配合物。这样使得锌、镍离子配合物的沉积电位相近而发生共沉积，并且阻止镍离子和氢氧化钠反应生成沉淀，从而获得更好的镀层。本工艺中RG-281配位剂的体积分数在80～110mL／L之间。

2.1.4 RG-281镍补加剂

RG-281镍补加剂是镀液中镍离子的来源，是保证整个工艺性能良好的关键。镀液中镍的质量浓度直接影响镀层中镍的质量分数。本工艺中RG-281镍补加剂的体积分数在8～12mL／L之间。

2.1.5 RG-281光亮剂

RG-281光亮剂可改善低电流密度区的光泽度，提高镀层的光亮度和均匀性，使镀层的可塑性增强；此外，还可以提高镀液的分散能力，增大Zn2+在阴极的极化，并对Ni2+在阴极的沉积起去极化作用。本工艺中RG-281光亮剂的体积分数在1～3mL／L之间。

2.1.6 温度

适当的温度，可以提高沉积速率和电流效率。温度偏低时，可增强阴极极化作用，但会降低电流效率，阴极析氢严重，使镀层产生氢脆或起泡；温度升高，镀液的黏度下降，加快离子的扩散速率，提高镀液的导电性，电流效率也相应地提高；但温度过高，添加剂的吸附能力将下降，阴极极化值减小，镀液的深镀能力和分散能力变差，镀层粗糙，钝化后发雾，对合金组分影响也大。本工艺中温度控制在20～30℃之间。

图1为温度对镀层中镍的质量分数的影响。从图1中可以看出：温度对镀层成分的影响不大，随着温度的升高，镀层中镍的质量分数先缓慢升高然后下降。这是因为镀液中放电离子的迁移速率随温度的变化而变化。

图1 温度对镀层中镍的质量分数的影响

2.1.7 电流密度

电流密度大，出光快。但电流密度过大，导致阴极电极电位更负，表面活性剂发生脱附，引起镀层粗糙、发黑，出现气流、条纹，后续钝化工序困难。电流密度过小，沉积速率慢，光亮度差。本工艺中电流密度控制在1～5A／dm2之间。

电流密度对镀层中镍的质量分数的影响，如图2所示。从图2中可以看出：在很大的电流密度范围内，镀层中镍的质量分数都处于一个相对稳定的状态。故本工艺中电流密度可以取一个相对较广的范围。

图2 电流密度对镀层中镍的质量分数的影响

2.2 镀液性能

2.2.1 赫尔槽试验

在不同条件下电镀10min，结果如表1所示。

表1 不同试验条件下的赫尔槽试片

2.2.2 镀液分散能力

δi取δ5。用赫尔槽试片法测得镀液分散能力为48.5%。

2.2.3 电流效率

用库仑计测得m1=0.218 5g，m0=0.222 3g，镀层中镍的质量分数为11.7%，计算出镀层电化学当量K=1.290g／（A·h）。根据公式计算得出电流效率为90%。

常规的锌-镍合金槽液使用一段时间后极易老化，沉积速率明显下降，维护困难。而本工艺通过查阅国外文献改良合成路线合成的新型配位剂，解决了上述问题。加入了RG-281 配位剂后，通过长期的观察发现：槽液的性能稳定，不需要调整依然能获得外观较好的锌-镍合金镀层。

2.3 镀层性能

2.3.1 结合力试验

将100mm×20 mm×1 mm 的试件挂入温度为25℃的锌-镍合金镀液中，在1A 电流下电镀15 min后取出，烘干；然后夹在台钳上反复弯曲至断裂，断口处无镀层脱落。

将数十个镀锌-镍合金的试件烘干，将试件置于200℃的电热烘箱中恒温30min，取出后立即投入冷水中骤冷。试样镀层无起泡或脱落。

取电镀锌-镍合金并经除氢钝化处理后的直径6mm 的弹簧垫圈50只套在M5的螺杆上，用扳手将螺母旋紧直至垫圈开口处压平为止，放置24h后松开，无一脆断。

2.3.2 耐蚀性

锌-镍合金镀层与纯锌镀层的耐蚀性对比结果，如表2所示。镀层厚度为10μm。由表2可知：锌-镍合金镀层的耐蚀性远远高于纯锌镀层的。

表2 锌-镍合金镀层与纯锌镀层的耐蚀性对比

3 结论

本文通过大量的试验确定了最佳配方及工艺条件：氧化锌8～12g／L，氢氧化钠100～140g／L，RG-281配位剂80～100 mL／L，RG-281镍补加剂8～12 mL／L，RG-281 光亮剂1～3 mL／L，20～30℃，1～5A／dm2。

在金属电沉积过程中，晶粒的生长会出现择优取向。电镀纯锌时，电沉积过程中结晶不细致，镀层疏松、粗糙；而锌-镍合金镀层的结晶细致了很多，外观均匀，光泽也比较好。RG-281工艺是一种高性能碱性锌-镍合金工艺，所得镀层的均镀性、整平性极佳。利用其独特的配位技术，可以使生产稳定，很长时间内不需要调整槽液；沉积速率快，电流效率高，工艺简单；耐蚀性是纯锌镀层的3～6倍。

［1］蒋彤雅，吴菊珍.电镀耐蚀性锌-镍合金工艺的研究［J］.电镀与环保，2010，30（2）：16-18.

［2］BARCELO G，GARCIA J，SARRET M，etal.Properties of Zn-Ni alloy deposits from ammonium baths［J］.Journal of Applied Electrochemistry，2004，24（12）：1249-1255.

［3］肖作安，费锡明，邹勇进.锌镍合金镀层耐腐蚀性的研究［J］.材料保护，2005，38（3）：15-17.

［4］张安富.锌镍合金镀层耐蚀性的探讨［J］.表面技术，1997，26（4）：16-18.

［5］卢锦堂，陈锦虹，许乔瑜，等.锌镍合金镀层盐雾腐蚀行为的研究［J］.材料保护，1997，30（5）：8-10.

［6］马跃宇，徐秀芝，魏绪钧.锌镍合金电镀技术的研究［J］.腐蚀与防护，1998，19（4）：158-160.

［7］张顺清.锌镍合金电镀工艺的研究［J］.电镀与环保，1989，9（6）：11-13.