纯铜管式换热器电镀镍工艺

李廷取 ，刘祥玲，刘文异，曲明洋

（1.吉林化工学院材料科学与工程学院，吉林 吉林 132022； 2.吉林化工学院机电工程学院，吉林 吉林 132022； 3.吉林江机特种工业有限公司计量测试中心，吉林 吉林 132021； 4.雄邦压铸(南通)有限公司，江苏 南通 226300； 5.兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，甘肃 兰州 730050）

镍具有高温抗氧化性，电镀镍被广泛应用于航空发动机叶片、火箭发动机、核反应堆以及能源转换设备上高温零部件的表面防护[1-3]。镍镀层不仅能减缓基体表面氧化，还能提高镀件的耐磨性、耐蚀性、导电性等性能[4-6]。铜管换热器能够对日常生活中的余热加以利用，在节约能源方面有着重要意义。但是铜很容易发生氧化、机械损伤和腐蚀[7-8]。本文对铜管表面电镀镍，以提高铜管表面的耐蚀性、耐磨性和抗氧化性，进而延长纯铜换热器的使用寿命。

1 实验

1. 1 纯铜管式换热器电镀镍

采用外径8 mm、壁厚1 mm的工业纯铜管式换热器作为基材。先用60 ～ 70 °C的10 g/L NaOH溶液碱洗3 ～ 5 min，再采用体积分数为20%的硫酸微蚀1 min。碱洗和酸蚀后都应立即用去离子水冲洗并吹干。

如图1所示，采用RXN-1520D型直流稳压电源挂镀，以电解镍板作为阳极，纯铜管式换热器在定形后用橡皮塞封闭两端作为阴极，阴阳极面积比为1∶(1.2 ～ 1.5)。镀液组成和工艺条件为：六水合氯化镍200 g/L，硼酸40 g/L，糖精3 g/L，十二烷基硫酸钠0.1 g/L，pH 4 ～ 5，温度(60 ± 5) ℃，电压15 V，电流密度1.5 A/dm2，时间20 ～ 50 min。电镀后立即取出换热器，用去离子水冲洗并吹干。

图1 电镀装置示意图 Figure 1 Schematic diagram of the setup for electroplating

1. 2 镀层性能表征

采用Bruker D8 Advance型X射线衍射仪(XRD)分析镀层的物相，扫描速率5°/min，扫描范围35° ～ 100°。采用上海光学4XC型光学显微镜放大400倍观察镀层截面并测量厚度。采用上海尚材HZ-1000Z型显微维氏硬度计测试镀层多点的显微硬度，载荷0.98 N，保压时间15 s，取平均值。按照SJ 1282-1977《金属镀层结合力的检验方法》采用划痕法检测镀层结合力，先用壁纸刀在镀层表面划深达基体表面的划痕，划痕之间互相平行和交错，划痕间距≤2 mm，并用上海光学XYH-3A体视显微镜观察划痕情况。

2 结果与讨论

2. 1 镍镀层的外观

如图2所示，随电镀镍时间延长，铜管由纯铜的紫红色逐渐转变为纯镍的银白色，镀层连续、光亮，无起泡、起皮、裂纹等缺陷，可以作为基体的有效防护层。

图2 纯铜换热器电镀镍不同时间后的外观 Figure 2 Appearances of pure copper heat exchanger after being electroplated with nickel for different time

2. 2 镍镀层的厚度和显微硬度

从图3可知，电镀不同时间所得镍镀层都均匀、致密，与基体紧密结合，无缝隙。

图3 电镀不同时间后镍镀层的截面金相照片 Figure 3 Cross-sectional metallographs of nickel coatings electroplated for different time

从图4可知，随着施镀时间的延长，镍镀层的厚度和显微硬度均增大。电镀50 min时，镀层厚度达到9.30 μm，显微硬度为149 HV。材料的抗疲劳磨损能力一般随硬度的增大而增强，可见电镀镍能够在一定程度上提高换热器的耐磨性[9-10]。在实际生产中可以根据厚度要求来控制电镀时间，下文选取电镀50 min所得的镍镀层进行研究。

图4 电镀时间对镍镀层厚度和显微硬度的影响 Figure 4 Effect of electroplating time on thickness and microhardness of nickel coating

2. 3 镍镀层的物相

从图5可知，镍镀层分别在2θ为44.5°、51.8°和92.9°处显示出Ni的(111)、(200)和(311)晶面，2θ为43.3°、50.5°、74.2°、90.0°和95.5°处显示的是基体Cu的(111)、(200)、(220)、(311)和(222)晶面。因为镍镀层较薄，所以其衍射峰强比基体铜的弱。

图5 镀镍铜换热器的XRD谱图 Figure 5 XRD pattern of nickel-electroplated copper heat exchanger

2. 4 镍镀层的结合力

从图6可知，镍镀层经划痕测试后无起皮和脱落现象，说明镍镀层与基体之间的结合力良好。

图6 镍镀层的划痕试验结果 Figure 6 Scratch test result of nickel coating

2. 5 镍镀层的高温抗氧化性

在燃气中对纯铜换热器和镀镍换热器灼烧20 min，纯铜换热器出现明显的氧化脱落现象，而镀镍换热器只出现蓝黑色氧化层，未见镀层脱落，说明电镀镍能够改善铜换热器的高温抗氧化性。

3 结论

在铜换热器表面电镀镍，所得镍镀层呈光亮的银白色，与基体结合良好。电镀50 min时，镍镀层的厚度为9.30 μm，显微硬度达到149 HV，高温抗氧化性良好。