以铜为基质的首饰表面无氰镀银工艺的研究

陈红,周湘宁

(陕西国际商贸学院,陕西西安 712046)

以铜为基质的首饰表面无氰镀银工艺的研究

陈红,周湘宁

(陕西国际商贸学院,陕西西安 712046)

根据无氰镀银工艺体系中不同影响因素设计多组实验,获得电镀液的组成及最佳工艺条件,并应用于铜首饰及其工艺品,使其具备银首饰的美丽外观。

无氰镀银;电镀;铜首饰;工艺品

目前珠宝首饰市场上出现了越来越多的仿真首饰,它们材质多样,款式新颖,紧跟潮流,价格低廉,备受年轻消费者的推崇。本文在查阅大量文献资料的基础上,通过无氰镀银工艺体系中不同因素的影响设计实验,进行定量和定性分析,确定出电镀银体系的最佳工艺条件,并将其应用于铜首饰及其工艺品,以期达到良好的外观效果。

1 实验准备和样品

1.1 镀前预处理

镀前预处理主要工序有:抛光→除油处理→酸洗(去除金属表面氧化膜)→浸银。

1.1.1 抛光处理

经过实验确定出了铜片电镀前抛光溶液的最佳组成和操作的工艺条件具体如下:

H3PO4:200～800ml/L,水:200～800ml/L,T:室温,Dk:5～20A/dm2,t:6～8min,阴极材料:不锈钢片,阳极:铜片。

1.1.2 表面除油处理[1]

经过抛光工序后,需要对样品进行表面除油处理。由于金属制品在镀前所进行的热处理、研磨、抛光、除油封等处理,表面粘有一定程度的油膜,将会影响金属离子在基质上的沉积、亦或无法沉积,甚至镀上金属层也很容易脱落,因此金属制品表面油污去除干净与否是影响电镀质量的主要原因之一。

表1 实验除油配方Table 1 experimental oil removal formula

1.1.3 酸洗

去除氧化膜的方法:喷砂、化学浸蚀、弱腐蚀、化学腐蚀等。要根据金属性质和表面状况的不同而适当选择其处理方法。本次实验选择弱腐蚀进行酸洗。

1.1.4 浸银

浸银过程是铜表面和镀液中的银离子间的置换反应过程。一般浸银溶液中除了含有银盐外,还含有络合剂或添加剂。通常采用的浸银工艺有两种[2],虽然理论上结合力有明显提高,但由于实验环境、溶液中成分的比例等因素的制约,效果不是很明显。

1.2 实验装置和工艺流程

基体材料为20mm×20mm×2mm的铜片作为阴极进行电镀,不锈钢片尺寸采用的20mm×40mm ×2mm,溶液配置的总体积为60ml。工艺流程主要为打磨→除油→水洗→酸洗→水洗→抛光→水洗→浸银→水洗→镀银→水洗→后处理[3]。

图1 电镀装置示意图Fig.1 schematic diagram of electroplating device

2 无氰镀银实验操作过程

该工艺体系中有四个固定因素:硫代硫酸钠、硫酸钠、焦亚硫酸钠、硼酸;变量为:硝酸银的含量变化、p H值、电流密度和时间。通过固定因素与变量的组合设计了16组正交实验,研究其对银镀层表面粗糙度、镀层颜色及镀层光洁度的影响,最后确定出电镀银体系中的镀液组成和操作的最佳工艺条件。

2.1 电镀溶液组成及工艺条件下:

硝酸银30～50 g/L、硫代硫酸钠180～250g/L、焦亚硫酸钠30～60 g/L、硫酸钠5～15 g/L、硼酸10～40 g/L、p H4.0～5.5、Dk0.5～2.0A/dm2、室温。

2.1.1 无氰镀银中最佳工艺条件的确定

无氰镀银的整个实验过程均在室温下进行。表2、表3为该实验过程的固定因素和影响因素,制备相应的溶液后,结合表4的变量所给的条件进行实验。

表2 镀银体系固定因素水平表Table 2 table of fixed factors level of silver plating system

表3 影响因素水平表Table 3 table of influence factors level

表4 正交实验表Table 4 table of orthogonal experiment

表3为以硝酸银、p H值、电流密度和时间为变量设计的影响因素—水平表。通过四个因素的变化来探索该无氰镀银体系操作的最佳工艺条件。

表4为该实验的16组正交实验表,分为四大组,每一小组均有一个固定因素,通过该过程即可探索出无氰镀银工艺的最佳工艺条件。

2.2 实验指标分析

2.2.1 表格分析

该分析表从镀层颜色、镀层表面光泽度、镀层表面粗糙度三个方面对银镀层进行实验结果分析,分别从定性与定量两方面对镀层进行描述。可以看出,颜色的变化是从银白→灰白→淡黄→焦黄,分别表示为1,2,3,4。表面光泽度的变化为:光亮→半光亮→暗淡,分别表示为1,2,3。在文中R a表示轮廓算术平均偏差,其值为在取样长度内轮廓偏距绝对值的算术平均值。

2.2.2 图片分析

图2:当Ag NO3为35g/L、p H值在4.0～4.5、电流密度在0.5～1.5 A/dm2时的实验效果图,从左到右对应上表2.5的实验序号为11、6、1:

图3,当Dk为2.0 A/dm2时电镀效果图。从左到右对应表2.5的实验序号为4、8、12、16,当Dk为1.5～2.2 A/dm2时铜片表面迅速变黑,镀银效果较差。

表5 实验指标分析表Table 5 table of experimental index analysis

图2 正交试验效果图Fig2 effect of orthogonal experiment

图3 电流密度对电镀效果的影响Fig.3 influence of current density on electroplating effect

2.3 实验结果因素分析

前面说到分析镀层表面所需的三因素为:镀层颜色、镀层表面光泽度、镀层表面粗糙度,其中粗糙度分析是首选要素。通过对影响镀层表面粗糙度的指标进行综合分析,得出最佳工艺参数,然后以此作为依据与其它两个因素进行综合分析,最终确定出体系的最佳工艺条件。

2.3.1 粗糙度因素分析(见表6)

2.3.2 银镀层颜色因素分析(见表7)

2.3.3 银镀层光泽度因素分析(见表8)

表6 不同条件下银镀层粗糙度指标分析(k=1/4K)Table 6 Roughness index analysis of silver coating under different conditions(k=1/4K)

表7 不同条件下银镀层颜色指标分析(k=1/4K)Table 7 color index analysis of silver coating under different conditions(k=1/4K)

表8 不同条件下银镀层光泽度指标分析(k=1/4K)Table 8 gloss index analysis of silver coating under different conditions(k=1/4K)

2.4 实验结果分析

通过研究银镀层表面粗糙度、颜色和光泽度三个因素,可有如下研究结果:

(1)由镀层表面粗糙度因素可得出对银镀层的影响主次因素为:B→D→A→C,最佳操作艺条件为B1D1A4C3即Dk(0.5A/dm2)→p H(4)→t(2min)→Ag NO3(30g/L)。

(2)由镀层颜色可得出对银镀层影响主次因素为:A(B)→D→C,最佳操工艺条件为:B1(A1)D1或B1(A1)C3。即Dk(0.5A/dm2)或p H(4.0)→t (2min)或Dk(0.5A/dm2)或p H(4.0)→Ag NO3(30g/L)。

(3)由镀层光泽度可得出对银镀层影响主次因素为:B(A)→C(D),最佳操作工艺条件为:B1C2(D1)或A1C2(D1)即Dk(0.5A/dm2)→Ag NO3(40g/L)→(t:2min)或p H(4.0)→Ag NO3(40g/L)(t: 2min)。

由以上三点可知:阴极电流密度、镀液p H值和电镀时间是影响镀层质量的最主要因素。当阴极电流密度较小时,对应表面越平整,颜色和光泽度也较好;当p H值为4.0时,镀层质量最好;时间的相对稳定,当2min时表面效果较好。结合实验而言:时间对整个实验的影响不是主要的。但电流密度却是最主要的因素。故通过正交实验所得出的无氰镀银体系中变量的最佳工艺条件为:Dk(0.5A/dm2)→p H (4.0)→t(2～6min)→Ag NO3(30g/L)。

3 铜金属首饰的电镀

将研究结果应用到铜首饰的表面处理,按照电镀的工艺要求对其进行处理。经抛光后铜吊坠的颜色呈现强烈的金属光泽,如下图4左所示,图4右边为电镀后的形貌,因为没用光亮剂的缘故,吊坠只呈现出强烈的白色。

图4 作品抛光电镀Fig.4 works after polishing and electroplating

4 小结

(1)通过正交实验获得的无氰镀银最佳工艺操作体系为:

硝酸银30g/L、硫代硫酸钠200g/L、焦亚硫酸钠50g/L、硫酸钠10g/L、硼酸20g/L、p H4.0、T2～6min、Dk0.5A/dm2、搅拌方式为机械搅拌、温度为室温;

(2)铜首饰及其工艺品表面电镀银后效果较好(如图4右);

(3)虽然铜首饰表面电镀银后效果良好,但是银的化学稳定性相对较差,镀银首饰的后处理工艺有待进一步研究。

[1] 韩峰.防银层变色工艺研究[J].长岭技术,2002(1):35-39.

[2] R.N.赖依聂尔,H.T.库特莱夫采夫电镀原理[M].北京:中国工业出版社出版,1957(3):30-32.

[3] 李酽,刘刚,刘红霞,等.化学镀层的性能及基体的镀前处理[J].航空制造术,2004(7):86.

当前最精确的量子温度计:钻石纳米晶体制成

在过去的两年中,研究人员发展出了一种量子温度计,可以测量出纳米尺度下m K级别的温度变化。他们利用固体中单个半导体量子点制备出了这种量子温度计,简单说来,就是利用金刚石纳米晶体中的杂质。人们已经使用这种温度计测量出了半导体中电子的温度和活细胞内部的温度变化。第一种技术已经能够让温度计在样品中取得热平衡,并精确测量样本的温度谱或探测荧光谱线与温度的关系。

这一实验工作催生出了一些问题,其中包括怎样优化温度计的精度,以及哪些材料可以成为理想的纳米温度计。西班牙巴塞罗那州立大学的Anna Spanpera和她的同事,以及英国诺丁汉大学的Gerardo Adesso相信他们已经找到了问题的答案。他们利用了新的理论技巧,结合数学工具、量子力学与热力学来研究这些问题。

“总的说来,我们想要测量的温度将与温度计的能量密切相关”巴塞罗那小组的Luis Correa说道。研究小组的工作显示,最为敏感的纳米温度计拥有最大的热容,这意味着环境温度中微小的变化都会对温度计的能量产生较大的影响。

通过在数学上将温度计热容最大化,研究小组得到了纳米温度计灵敏度的表达式。温度计的灵敏度取决于其能级结构与未占据量子态的数量。例如,实验中曾经采用的纳米金刚石温度计,其拥有一个基态和两个能量相同的激发态。工作小组发现,最精确的温度计是双能级系统,就像纳米金刚石一样,但是其上能级并不是只含有两个量子态,而是非常多的量子态。

瑞士联邦理工学院的Martin Kroner说,这一理论工作在人们利用基于量子效应的更可靠温度计上迈出了重要一步。他也说道,现如今科学家们在实验中已经能够制造温度非常低的环境去观察量子现象,但是这一新的工作将实验引入了新的境地,人们不仅可以观测量子体系,还能精确地测量量子体系本身的温度。

这一研究成果发表在物理评论快报上。 (科学探索)

Study of the jewelry surface cyanide-free silver plating technology with copper as matrix

CHEN Hong,ZHOU Xiang-ning
(Shaanxi Institute of international tradecommerce,Xi'an,Shaanxi 712046,China)

A number of experiments has been designed according to the different influence factors of the cyanide-free silver plating process to obtain the electroplating solution and the optimum process conditions.The experiment results will be applied to the process of copper jewelry and copper handicraft to give them a beautiful appearance as the silver jewelry.

cyanide-free silver plating;electroplating;copper jewelry;handicraft

TS933

A

1673-1433(2015)04-0058-05

2015-06-16

陈红(1983-),女,讲师,研究方向:珠宝首饰鉴定与处理。

陈红,周湘宁.以铜为基质的首饰表面无氰镀银工艺的研究[J].超硬材料工程,2015,27(4):58-62.