工艺条件及镀液杂质对瓦特镍镀层内应力的影响

胡　维,　王春霞,　周佑明,　胡小萍

(1.江西洪都航空工业集团有限责任公司 热表处理厂，江西 南昌　330063； 　2.南昌航空大学 材料科学与工程学院,江西 南昌　330063； 　3.金川集团 金柯有色金属有限公司，江苏 昆山　215300)



工艺条件及镀液杂质对瓦特镍镀层内应力的影响

胡维1,王春霞2,周佑明3,胡小萍2

(1.江西洪都航空工业集团有限责任公司 热表处理厂，江西 南昌330063； 2.南昌航空大学 材料科学与工程学院,江西 南昌330063； 3.金川集团 金柯有色金属有限公司，江苏 昆山215300)

摘要：为控制生产中瓦特镍镀层的内应力，利用条形阴极法测试了镀液的温度、pH及镀液中的杂质等对瓦特镍镀层内应力的影响。结果表明，镀镍液θ为50℃，pH为4.0时，镀层内应力最小；随着镀液中Cu(2+)、Zn(2+)金属杂质含量的增加，镀层内应力均增加；另外，在生产中为降低镀层的内应力，还需严格控制硫酸镍品质。

关键词:电镀条件； 镀液杂质； 内应力； 条形阴极法； 镀镍层

引言

任何材料中都有应力，电镀层也不例外。由于镀层的应力是电沉积本身形成的，而非施加外力引起的附加应力，应力集中在镀层之中，所以电镀层的应力称为内应力。若镀后不作消除应力的处理，则电沉积中产生的内应力始终存在，故又称为剩余应力或残余应力[1]。

镀层的内应力在一定范围内使镀层的耐蚀性降低，尤其在应力突变的部位，容易产生应力集中的腐蚀，当内应力较大时，还会使镀层出现起泡、开裂和局部脱落等现象，影响镀层的结合强度[2-3]。在生产中，经常出现过高的内应力而使镀层产生裂缝，甚至剥落，影响镀层外观、耐蚀性和结合力，从而影响到产品的合格率。基于此，本文重点研究了镀液的温度、pH及镀液中常见的杂质对镀层内应力的影响，为后续生产提供依据，确保生产顺利进行。

1实验

1.1基材

实验所采用材料为H68黄铜基材，其主要成分为67%～70%铜，锌余量。试样规格为100mm×10mm×0.25mm，弹性模量为88.9GPa，单面密封胶密封。

1.2镀镍工艺流程及溶液配方

电镀瓦特镍工艺流程及溶液配方为：

铜片除油→水洗→镀镍→取出试片水洗、吹干→测量试片偏转量→测量镀层厚度。

1)化学除油。20g/L NaOH，20g/L Na2CO3，20g/L Na3PO4·12H2O，4g/L Na2SiO3，1～3g/L OP-10乳化剂，t为3～5min，θ为50～60℃。

2)镀镍。270g/L NiSO4·7H2O，50g/L NiCl2·6H2O，35g/L H3BO3，θ为50℃，pH为4.0，Jκ为1A/dm2，t为1h，阳极采用镍板。

根据厂家提供的资料，移动消防炮额定压力为0.8MPa，额定射程为60m，在工作压力为0.7MPa时，射程约为52～55m，满足本项目的消防要求。

1.3镀层内应力测试

采用条形阴极法，条形阴极为100mm×10mm×0.25mm的铜片，单面密封胶密封，经除油水洗后，上端固定，下端为自由端，在一定的条件下电镀后，取出试片，水洗吹干，利用坐标纸准确测量试片偏转量，再利用测厚仪测量试片镀层的厚度，通过内应力计算公式计算内应力大小[4]。这种条形阴极法测得的内应力是一个半定量性质的。表达公式如下[5]：

式中：F为镀层内应力，MPa；E为基体材料弹性模数，MPa；t为试片厚度，mm；d为镀层平均厚度，mm；L为试片电镀面的长度，mm；Y为试片自由端偏转幅度，mm。

施镀过程中，固定铜片的上端，下端为自由端，采用坐标纸测量铜片的偏转量，利用DJH电解式测厚仪(武汉材保所)测试镀层厚度。

2结果与讨论

2.1工艺参数对镀层内应力的影响2.1.1温度的影响

为研究温度对镀层内应力的影响，实验固定镀液的工艺参数Jκ为1A/dm2，pH为4.0，t为1h，利用条形阴极法测试镀液θ为40、45、50、55和60℃时，镀层的内应力，结果见图1。

图1　温度对镍镀层内应力的影响

由图1可知，镀镍层的内应力与温度的关系很明显，镀液θ由40℃升至50℃时，镀层内应力增加，而由50℃升至60℃时，镀层内应力减少，50℃时镀层内应力最大。

镀层内应力产生的原因在于金属沉积过程中外来物质的夹杂或镀层组织结构发生变化引起的晶格畸变和晶粒结构变化所致，镀液温度的升高使镀层的组织发生了变化，当θ低于或等于40℃时，织构轴取向为[210]，50℃时，织构轴取向是[100]，这种晶粒生长的差异，影响着镍沉积层的内应力[6]。

2.1.2pH的影响

为研究pH对镀层内应力的影响，实验固定工艺参数Jκ为1A/dm2，θ为50℃，t为1h，利用条形阴极法测试了镀液pH为3.0、3.5、4.0、4.5和5.0时，镍镀层的内应力，结果见图2。

图2　pH对镍镀层内应力的影响

从图2可以看出，pH对镀层的内应力有影响，但影响程度比温度小，在pH=4.0时，镀层内应力为最小。这主要是由于镀液pH在3.4～4.5之间时，随着pH增大，镀层析氢困难，使得晶格扭曲降低，镀层内应力降低；镀液pH在4.0～5.0之间，随着镀液的pH升高，镀液易产生氢氧化镍夹杂镀层中，会引起镀层内应力增大。所以为减小镍镀层的内应力，瓦特镍镀液的pH一般应控制在4左右。

2.2镀液中杂质对内应力的影响

金属杂质离子是影响镀镍层内应力的最复杂因素。因其在生产过程中难以时时监控，不同于镀液温度、pH及其他参数可在线监控，金属杂质往往是在其积累到一定量后才出现故障，而一旦出现故障，排除较困难。

实验固定工艺参数Jκ为1A/dm2，θ为50℃，t为1h，分别利用单因素实验研究了镀液中常见的Cu2+和Zn2+杂质对镀层内应力的影响，结果见图3。

图3　杂质对镀层内应力的影响

从图3可以看出，杂质对镀层内应力的影响远大于工艺参数的影响，随着镀镍溶液中铜离子和锌离子含量的增加，镀层的内应力均不断增大，这是因为微量的杂质会影响电结晶过程沉积出的镀层的晶界，镀层中位错的数量、类型和分布，镀液中的杂质在沉积层中夹杂，这种夹杂会使晶格产生歪曲，杂质夹杂在镀层晶格中引起晶格参数的增大，致使镀层内应力也不断增大[7-8]。

2.3硫酸镍对镀层内应力影响

硫酸镍是镀镍电解液的主盐，其质量浓度为250～300g/L，在生产过程中因其不断消耗，使得镀液中硫酸镍含量不断降低，需分析补加。生产中因多次补加硫酸镍，而使镀层的应力增大，弯折实验发现镀层易断裂。为此，测试了市场上5种品牌硫酸镍配置的瓦特镍液的镀层内应力，工艺参数Jκ为1A/dm2，θ为50℃，pH为4.0，t为1h，其结果如图4所示。

图4　不同品牌的硫酸镍对镀层内应力的影响

从图4可以看出，五种品牌硫酸镍配置的瓦特镀镍液，其内应力有较大差异，其中C和E品牌所得镀镍层内应力最小，D品牌所得镀镍层内应力最大。因施镀过程中，各工艺条件均保持一致，可以认定硫酸镍中的杂质是使镀层内应力不同的主要原因。

另外，在由各种品牌硫酸镍配置浓缩液过程中，还发现镀层内应力较大的镀液，其表面有大量气泡，可能是硫酸镍所含有机物稍多所致，所以在生产中，为减小镀层内应力，必须选择杂质较少的硫酸镍，确保镀件质量。

3结论

1)瓦特镀镍液θ为50℃，pH=4.0时，镀镍层内应力最小。

2)随着镀液中Cu2+、Zn2+金属杂质含量的增加，镀层内应力均增加。

3)在实际生产中，不同品牌的硫酸镍影响镀层的内应力。

参考文献

[1]车承焕.镀层内应力和测试技术[J].电镀与环保,1993,13(1):26-33.

[2]Lian K,Jiang J C,Ling Z G.Processing-microstructure-resulting materials properties of LIGA Ni[J].Microsystem Technologies,2007,13(3):256-264.

[3]魏杰,苏荣军,周定,等.电镀镍新工艺的研究[J].哈尔滨工业大学学报,1998,8(30):55-61.

[4]殷立涛,任凤章,马战红,等.原位弯曲阴极法测量不同基体上电沉积铜膜和镍膜的内应力[J].电镀与精饰,2006,29(3):16-19.

[5]成都市科学技术交流站.电镀技术[M].成都：四川人民出版社,1976:562.

[6]安茂忠.电镀理论与技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2004:35-46.

[7]Sotirova Chakarova G S,ArmyanoV S A.The internal stress in Ni.Ni-Fe,Co-Fe,and Co-Ni layers measured by the bent strip method[J].Journal of the Electrochemical Society,1990,137(11):3551-3558.

[8]曾祥德.影响亮镍镀层应力腐蚀因素分析[J].表面处理,2008,7(4):13-18.

The Influence on the Watt Nickel Internal Stress by Process Conditions and Impurities in Plating Solution

HU Wei1, WANG Chunxia2, ZHOU Youming3, HU Xiaoping4

(1.Jiangxi Hongdu Aviation Industry Group Co.,Ltd.hot surface treatment plant,Nanchang 330063,China;2.Nanchang Hangkong University, Material Science and Engineering,Nanchang 330063,China;3.Jinchuan Group Jinco Nonferrous Metals Co.,Ltd,Kunshan 215300,China)

Abstract:The effects of temperature,pH and impurities on the watt nickel internal stress were tested by the strip cathode method in order to control the internal stress of watt nickel films in production.The results showed that the plating internal stress was the smallest when watt nickel plating solution was at 50℃ and pH=4.0.As the concentration of Cu(2+) and Zn(2+) increasing,the plating internal stress was all enhanced.In addition,the quality of nickel sulfate should be strictly controlled in order to reduce the plating internal stress in the production.

Keywords:plating conditions;impurities in plating solution;internal stress;strip cathode method;nickel coatings

中图分类号：TQ153.2

文献标识码：B

基金项目：校企合作项目(2011-01-060)

收稿日期：2015-12-03修回日期： 2015-12-25

doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.04.007