滚镀镍产品发生层间结合力不良的原因分析及解决方法

李宪正，刘阳，董玉良，吴洋军，李武生，李勇，陈树桐，邹立一，王克和

（1.大连永光科技有限公司，辽宁大连 116021；2.普兰店精饰电镀有限公司，辽宁大连 116000；3.大连市表面工程协会，辽宁大连 116021）

电镀镍的工业应用已经超过百年，在电镀产业中的地位举足轻重。其作为功能性或装饰性镀层广泛应用于机械、电子、汽车及日用工业品种［1-5］。目前挂镀镍工艺日臻完善，而滚镀镍在生产中往往出现工艺参数或镀液相关的诸多问题［6］。

滚镀镍过程出现镀层结合力不良，是实际生产中较常见的质量异常现象，影响的因素很多，如槽液性能、工艺参数、设备因素等，但每种因素的影响，都有其固有的缺陷特征。结合力不良会产生镀层脱落、开裂等后果，直接影响基体的硬度、耐磨性及耐腐蚀性能，因此提高结合力是保证滚镀产品质量最为重要的手段［7］。本文针对某生产单位出现的滚镀镍镀层层间结合力不良（镀层中间分离）现象进行了原因分析，并制定了解决方案。

1 不良现象

2020年某单位滚镍生产线生产的滚镀哑光镍产品（材质45#钢、规格ϕ10 mm×30 mm），经锉刀实验，发现镀层结合力不良，不良比例5%左右。在以后的生产中，不良率渐渐增加，导致停产。技术人员采取了降低电流密度、使用双氧水-活性炭处理镀液等方法，初期异常现象有所改善，但短期内镀层结合力不良又开始加重。因此，单位重新组织相关人员分析原因、寻找对策。

2 异常相关调查

2.1 缺陷特征检查

如图1所示，滚镀镍产品在结合力检验-锉刀实验后，工件端部倒角出有明显的镀层剥离现象。为进一步分析缺陷镀层产生的原因，抽取3件异常品，使用金相显微镜检测异常部位镀层剖面。结果如图2所示，金相照片清晰地显示：镀镍层分离均发生在镍层层间，并且分离线靠近基体一侧。

图1 镀层故障位置Fig.1 Plating failure position

2.2 现场工艺符合性调查

针对生产现场的各项工艺参数进行了细致的分析，镀液成分、镀液中的杂质金属离子及工艺参数的测试结果分别如图2、表2、表3和图3所示。

图2 镀镍层分离状态金相照片Fig.2 Metallograph of the separation status of nickel layer

分析现场镀液成分含量，结果如表1所示，各组分含量均符合工艺要求，因此推断镀液组分不是产品异常的原因［8-9］。

表1 镀液配方Tab.1 Composition of plating bath solution

测定了镀液金属杂质含量，结果见表2，可见镀液中金属杂质含量在合理范围内，未超过工艺容忍浓度［10］。

表2 镀液金属杂质含量Tab.2 Content of metal impurities in plating bath solution

核实电镀生产中温度、pH、电流密度及装载量等工艺参数的数值，如表3所示，现场各项参数皆符合工艺要求。

表3 工艺参数Tab.3 Process parameters

镀液进行赫尔槽实验。使用250 mL赫尔槽，电流1 A，温度55±1℃，电镀10 min［11］。结果如图3所示，试片自高至低电流密度区，呈均匀的哑光镀层，没有出现烧黑、烧焦的现象，属于正常状态。

图3 赫尔槽试片Fig.3 Hull cell test piece

以上实验结果排除了镀液及工艺参数造成产品不合格的可能性。

2.3 膜厚调查

现场调查，选取样品工件不同位置测量镀层厚度，标准膜厚为5～10 μm。如表4所示，槽液正常的工件平均膜厚为7.2 μm，槽液异常时工件平均膜厚为7.1 μm，二者数值相近，且都在标准膜厚范围内，未见明显差异。

表4 膜厚调查Tab.4 Film thickness investigation

3 原因分析

金相显微镜检查显示，本次异常是镀镍层层间出现分离现象，通常情况下，此种现象发生原因有三种可能：电镀过程中途断电、工件瞬间夹桶和镀层内应力过大。

如电镀过程中途断电，通常会导致整体结合力变差，而不是局部，另外，现场也没有发生如此大规模的断电现象；如个别工件可能瞬间夹桶，产生双性电极现象，异常现象不太可能会仅仅表现在端部倒角这么小的区域；因此判断本次异常是镀层内应力过大导致。

影响镀层内应力的主要因素有：槽液有机物含量、氯离子含量、工艺参数（温度、pH值、电流）、镀层厚度、金属杂质含量（尤其锌杂质含量）、基体残留应力等，综合以上调查分析，镀层应力过大应该是有机杂质含量过高导致，至于双氧水-活性炭处理无效的原因，可能是双氧水不能有效分解这些有机物，需要尝试一下高锰酸钾-活性炭联合处理的效果。

4 实验验证

4.1 实验室对异常槽液分别用双氧水-活性炭和高锰酸钾-活性炭处理

双氧水-活性炭处理方法：双氧水-活性炭联合处理：槽液加热至55±2℃（并保温）→用10%硫酸调整pH值至3.5→加入30%双氧水5 mL/L并搅拌均匀→槽液加热至65～70℃，搅拌40 min→用10%氢氧化钠溶液调整pH值至5.0→搅拌下分3次加入5 g/L活性炭，继续搅拌30 min→静置2 h后过滤→分析调整镀液成分、pH值调整至4.0→电流密度0.1 A/dm2，电解4 h→补加开缸剂2 mL/L。

高锰酸钾-活性炭联合处理方法：槽液加热至65±2℃（并保温）→用10%硫酸调整pH值至3.5→加入溶解好的高锰酸钾5 g/L，持续搅拌40 min→槽液加热至65～70℃，搅拌40 min→用10%氢氧化钠溶液调整pH值至5.0→搅拌下分3次加入5 g/L活性炭，继续搅拌30 min→静置2 h后过滤→分析调整镀液成分、pH值调整至4.0→0.1 A/dm2小电流密度电解4 h→补加开缸剂2 mL/L。

4.2 实验室槽液处理效果评价

镀液总有机碳（TOC）含量检测：TOC含量，异常槽液远远高于新开缸槽液，高锰酸钾+活性炭处理的槽液远低于双氧水+活性炭联合处理的槽液，见表5。

表5 TOC含量Tab.5 TOC content

镀层的内应力检测：异常槽液的内应力（张应力）远高于新开缸槽液，高锰酸钾+活性炭联合处理的槽液远低于活性炭双氧水处理的槽液，见表6。

表6 内应力检查Tab.6 Inspection of internal stress

另外，异常槽液颜色偏黑色、双氧水-活性炭联合处理的槽液颜色变化不大，高锰酸钾+活性炭联合处理的槽液颜色与新开缸槽液颜色接近。见图6。

以上实验室实验结果表明，异常槽液的有机物含量及镀层的内应力（张应力）较高，双氧水+活性炭联合处理效果优于双氧水+活性炭联合处理。

图4 镀液颜色Fig.4 Color of bath solution

5 解决方法

按上述实验方法，对现场槽液进行了高锰酸钾+活性炭的联合处理，试生产后，结合力不良现象消失。

为防止异常现象再次发生，将原槽液的每半年的双氧水+活性炭大处理，改为高锰酸钾+活性炭处理方法。槽液运行两年来，没有再出现镀镍层层间结合力不良的问题，质量一直保持稳定。

6 结语

本文针对一例滚镀哑光镍生产中出现的镍层间结合力不良的问题，经过对不良特征的深入检查、原因分析及实验验证，最终确定镀液有机杂质过多，致使镀层内应力过大，导致了镀层层间结合力不良情况的出现，进而制定了采用强氧化槽液处理方案，最终解决了问题。