2012年4月 电镀与精饰 第34卷第4期(总229期) ・5・ 文章编号:1001.3849(2012)04.0005.05 化学镀非晶态镍-磷合金的研究 武晓阳, 刘定富 (贵州大学化学与化工学院,贵州贵阳550003) 摘要:以沉积速度和镀层中磷含量为评价指标,通过实验分别考察了硫酸镍质量浓度、硫酸镍与次 磷酸钠的摩尔比、pH、温度及EDTA-2Na对化学镀镍一磷合金的影响。实验结果表明,"3硫酸镍质量 -浓度为20~30 L、n(硫酸镍):n(次磷酸钠)为0.25~0.4O、络合剂总质量浓度为35 g/L(其中 EDTA-2Na为2.5—10.0 L), 为86—90 oC、pH为4.6—5.0时,沉积速度为11.87~14.oo In/h,镀层中W(磷)为10.2%~12.0%;镀层x一射线衍射图谱显示出非晶态结构所具有的典型 “馒头峰”。 关键词:化学镀镍;沉积速度;镀层磷质量分数;配位作用 文献标识码:A 中图分类号:TQ153.12 Electroless Plating of Amorphous Ni・P Alloy WU Xiao—yang.LIU Ding—fu (Chemistry and Chemical Engineering Institute,Guizhou University,Guiyang 550003,China) Abstract:The influence of niekel sulfate concentration,mol ratio between niekel sulfate and sodium hypophosphite,pH,temperature and EDTA-2Na content on deposition rate and phosphorus content in Ni—P alloy electroless plated coating were studied by experiments.Results showed that the deposition rate was 1 1.87~14.00 p ̄m/h and phosphorus content in the coating was was 10.2%~12.0%under following parameters:sulfate concentration(20~30 L),tool ratio between nickel sulfate and sodium hypophos— phite(0.25~0.40),total complexing agent 35 g/L,(EDTA-2Na 2.5~10.0 g/L in which),temperature (87—92 oC),pH(4.6—5.2).The X-ray diffraction pattern of coating showed that a typical steamed bread peak,which meant the amorphous structure of the coating. Keywords:electmless nickel plating;deposition rate;phosphOruS content in the coating;Coordination role 引 言 化学镀镍.磷合金是通过可控的氧化还原反应 在镀件表面沉积一层均匀镀层的工艺过程,该技术 究,至20世纪80年代进入兴盛时期,至今方兴未 艾。由于化学镀镍.磷合金具有镀层均匀、硬度高、 耐蚀性好及深镀能力强等诸多优异性能,已广泛地 应用在石油化工、轻纺机械、汽车制造、航空及航天 自Brenner和Ridell于1946年发表获得沉积层的工 工业等领域。在航空电联接口的接插件和计算机 硬盘制备等高科技领域中,由于对传输信号抗干扰 的要求很高,要求镀层必需是非晶态的,具有不导 艺条件的论文并于1950年获得专利(USP2532283) 后便投入了工业应用,经三十年来各国竞相开发研 收稿日期:2011—07—17 修回日期:2011-09—07 ・6・ Apr.2012 Plating and Finishing Vo1.34 No.4 Serial No.229 磁性能,以屏蔽其它的电磁波信号 。J。 化学镀镍.磷合金所得镀层的性能与磷含量关 系密切,一般说来,当镀层中W(磷)≥10%时,镀层 将无晶格缺陷和位错,表现出非磁性。本文根据化 学镀镍一磷合金的基本原理 j,在借鉴前人研究成果 的基础上 ,以沉积速度、镀层 (磷)为评价指 标,研究镀液中硫酸镍质量浓度、 (硫酸镍):n(次 磷酸钠)、与镍(Ⅱ)具有强配位作用的络合剂(ED. TA-2Na)、pH、温度对沉积速度以及镀层 (磷)的影 响,旨在探讨在许多工业领域中有广泛应用的非晶 态化学镀镍.磷合金工艺。 1实验材料及方法 1.1 实验材料 采用尺寸为55mm X 50mm×2mm的45碳钢 作试件。 试剂:NiSO4・6H2O,NaH2PO2・H2O,NaAC,乳 酸,硫脲,乙二胺四乙酸二钠盐,苹果酸,(d= 1.40),氨水(d=0.89)。 1.2实验仪器 DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器(河南 省巩义市予华仪器有限责任公司);DK一98—11A型恒 温水浴锅(天津市泰斯特仪器有限公司);FA一1004 型电子天平(上海良平仪器仪表有限公司);PHIO0 防水型笔式pH计(上海三信仪表厂);722可见光 分光光度计(上海菁华科技仪器有限公司)。 1.3工艺流程 化学镀Ni—P合金工艺流程为: 镀件一砂纸打磨一称量一化学除油一水清洗 -- ̄20%盐酸活化一水洗一纯水清洗一化学镀Ni.P 合金一水洗一烘干一称量一退镀一测定磷含量。 1.4镀液成分及工艺条件 化学镀Ni-P合金溶液成分及操作条件为: 20 L NiSO4。6H2O,27g/L NaH2PO2・H2O, l2g/L乙酸钠,20mL/L乳酸(88%),6g/L苹果酸, 2—4 L EDTA-2Na,2mg/L硫脲,10mg/L十二烷 基硫酸钠,pH为4.5—5.0,0为86—90℃,装载量 1.1dm /L。 1.5测试方法 1)沉积速度。采用称量法测定按下式计算 : =(m1一m0)×10 /pAt, 1l3.6一W P — 一 式中: 为沉积速度, n/h;m。为镀前试样的质 量,g;m 为镀后试样的质量,g;p为镀层相对密度, g/cm ;A为试样表面积,cm ;t为施镀时间,h(本实 验施镀时间为1 h); 为镀层中的磷,%。 2)镀层中磷的测定。采用分光光度法测定,镀 层用浓溶解,煮沸驱除氮氧化物,然后滴加高 锰酸钾氧化磷呈正磷酸盐,过量的氧化剂及氧化过 程中生成的二氧化锰沉淀用亚钠煮沸溶解,冷 却后用水定容至250mL即得试液。取适量试液 (磷≤1.5 mg)于100mL容量瓶中,加人25 mL钼酸 铵.钒酸铵试剂,用水定容,常温下显色15rain,在波 长420am处用10mm比色皿测定吸光度,减除试剂 空白的吸光度后对照工作曲线确定对应的磷 含量E 81。 3)工作曲线绘制。用磷酸二氢钾(基准试剂) 配制0.10mg/L的磷标准液,分别吸取0、2、4、6、8 和l0mL于100mL容量瓶中,以下操作同分析步 骤。将所测吸光度值减去空白吸光度,然后以 P(磷)对吸光度作图,即得工作曲线如图1所示: 图1磷的工作曲线 2实验结果与讨论 2.1硫酸镍的影晌 控制镀液pH为5.0、0为86~90℃,30 g/L次 磷酸钠、12g/L乙酸钠、20mL/L乳酸(88%)、6g/L 苹果酸、2.5 L EDTA-2Na、2 mg/L硫脲、lO mg/L十 二烷基硫酸钠的条件下,改变硫酸镍质量浓度进行 施镀,镀后测定镀层的W(磷)和沉积速度,分别以 沉积速度和镀层中的磷为变量对硫酸镍质量浓度 作图,如图2所示: 2012年4月 电镀与精饰 第34卷第4期(总229期) ・7・ 图2 P(硫酸镍)对沉积速度和镀层W(磷J的影响 结果表明,随着p(硫酸镍)的增加化学镀镍 磷 合金沉积速度先增加后降低,镀层中的W(磷)则逐 渐降低。在化学镀镍-磷合金反应过程中硫酸镍作 为主盐,主要作用是提供沉积所需的Nj¨,它大部 分与络合剂络合,极少部分以游离形式存在。P(硫 酸镍)的增加使游离P(Ni )增加,镍离子容易被还 原,沉积速度随之提高。镀液中P(硫酸镍)的提高 还降低了次磷酸根在碳钢催化表面的还原数目,使 镀层W(磷)降低。综合考虑,镀液中P(硫酸镍)在 25g/L为宜 。 2.2,l(硫酸镍):n(次磷酸钠)的影响 控制镀液pH为5.0、0为86~90。【=,25 L硫 酸镍、l2 L乙酸钠、20mL/L乳酸(88%)、6g/L苹 果酸、2.5 g/L EDTA-2Na、2mg/L硫脲、10mg/L十 二烷基硫酸钠的条件下,改变次磷酸钠质量浓度进 行施镀,测定镀层 (磷)和沉积速度,分别以镀层 W(磷)和沉积速度对硫酸镍与次磷酸钠的摩尔比作 图,如图3所示: 26 24 22 2O i 18 16 l4 12 n(硫酸镍):n(次磷酸钠) 图3 (硫酸镍): (次磷酸钠)对沉积速度和 镀层’.’(磷)的影响 结果表明,随着主盐与次磷酸钠摩尔比的增 加,化学镀镍一磷合金沉积速度逐渐降低,镀层 加(磷)是先增加后逐渐降低。在酸性化学镀镍.磷 合金中,根据反应式: Nj。 +2 O+2142PO2一 Ni+2H +H2+2H2PO3一 从反应动力学角度考虑,镍离子的变化对沉积 速度影响并没有次磷酸钠显著,而且镍离子过多时 镀液中会生成氢氧化镍沉淀,降低镀液稳定系数, 所以次磷酸钠的增加,即主盐与还原剂摩尔比降低 会促使沉积速度显著提高。同时P(次磷酸钠)的提 高还会促进析磷反应的进行,增加镀层W(磷)。根 据在88℃下亚磷酸镍的溶度积NiHPO (s)=Ni + HPO;一ksP-2=[Ni ][HPO;一]=6.0×10 及亚磷 酸的电离常数¨ ,可计算镀液对亚磷酸钠 (Nail:PO,)的“容忍度”为33.488 g/L,相应的 n(硫酸镍):n(次磷酸钠)为0.30,即在此环境下当 镀液中P(亚磷酸钠)达到33.488g/L时镀液会因生 成亚磷酸镍沉淀而分解报废。综合考虑,镀液中 n(硫酸镍): (次磷酸钠)在0.38为宜 。 。 2.3镀液pH的影响 控制施镀0为86~90cc,25g/L硫酸镍、3Og/L 次磷酸钠、12 g/L乙酸钠、20 mL/L乳酸(88%)、 6g/L苹果酸、2.5g/L EDTA一2Na、2mg/L硫脲、10 mg/L十二烷基硫酸钠的条件下,改变pH进行施镀, 测定镀层W(磷)和沉积速度,分别以镀层W(磷)和 沉积速度对镀液pH作图,如图4所示: 4O 35 8 30 6 25 呈20 4龄 15 2 lO 5 O 0 4 5 6 pH 图4 pit对沉积速度和镀层 f磷)的影晌 结果表明,溶液pH在3.5—6.0范围内,化学 镀镍.磷合金沉积速度随着pH的增大先增加后降 低,而镀层 (磷)逐渐降低。溶液pH的高低直接 影响镍离子的还原速率和次磷酸钠的氧化析氢速 率,从而影响化学镀镍.磷合金的沉积速度。当 pH=3.5时化学镀镍一磷合金反应不能进行,沉积速 度为零;pH从3.5升至5.0过程中酸性逐渐减弱氢 离子浓度降低,基体活性增强,使镍离子的还原速 率和次磷酸钠的析氢速率提高,进而提高了沉积速 度;当pH达到6.0接近中性时氢离子浓度降低较 前不再明显,镍离子的还原速率变化缓慢,而次磷 酸根转为亚磷酸根生成沉淀的速率提高,抑制了析 磷反应因而沉积速度略有降低。同时溶液pH的改 Plating and Finishing 变还会影响镀层中的W(磷),在溶液pH=3.5时化 学镀镍.磷合金反应没有进行,由于磷的析出反应是 在酸性条件下次磷酸根被还原进行的,镀液pH在 4.0—6.0中变化使溶液氢离子浓度降低酸性减弱 阻碍了磷析出反应的进行,使得镀层中W(磷)降 低。综合分析镀液pH对沉积速度和镀层 (磷)的 影响趋势,确定酸性化学镀镍一磷合金工艺中镀液 pH为4.8±0.2 。 2.4温度的影响 控制镀液pH为5.0,25 g/L硫酸镍、30 L次磷 酸钠、l2g/L乙酸钠、20mI/L乳酸(88%)、6g/L苹 果酸、2.5g/L EDTA-2Na、2mg/L硫脲、10mg/L十二 烷基硫酸钠的条件下,改变施镀温度施镀,测定镀 层W(磷)和沉积速度,分别以镀层W(磷)和沉积速 度为变量对温度作图,如图5所示: 26 24 4 --22 2o 醛 三18 一 16 l4 12 74 76 78 8O 82 84 86 88 9O 9 0/ ̄C 图5温度对沉积速度和镀层W(磷)的影响 结果表明,随着施镀温度的升高沉积速度显著 提高,同时镀层的W(磷)也逐渐增加。温度在化学 镀镍-磷合金过程中的主要作用是提供反应进行所 要的能量,0在75~95 c【=范围内升高,为反应提供 的能量增加,使更多游离Ni 和H PO 一获得反应 所需能量,增加反应活化分子数,从而加快反应速 率。同时升高温度也为还原剂次磷酸的分解提供 能量,当升温所供给的能量大于分解所需能量时, 继续升温会加快次磷酸的分解,也就是加快磷析出 反应的进行,镀层中的 (磷)也随之增加。但当0 升至95 qc时还原剂的加速分解和镀液的快速挥发 会增加溶液中的亚磷酸根,造成镀液稳定性下降, 镀液瞬时分解报废。综合分析温度对沉积速度和 镀层W(磷)的影响并考虑工业实际生产,确定酸性 化学镀镍.磷合金工艺中0在85℃为宜l1 。 2.5 EDTA-2Na的影响 控制镀液pH为5.0、0为86~90℃,25 g/L硫 酸镍、30g/L次磷酸钠、12 L乙酸钠、20mL/L乳酸 (88%)、6g/L苹果酸、2mg/L硫脲、10mg/L十二烷 基硫酸钠的条件下,改变P(EDTA-2Na)(从2.5g/L 到10.0 g/L,变幅为2.5 L),测定沉积速度和镀层 W(磷),分别以沉积速度和镀层W(磷)对P(EDTA一 2Na)作图,如图6所示: 鼙 一 7 7 6 6 6 6 6 6 6^1 P(EDTA・2Na)/(g・L。。】 图6 p(EDTA-2Na)对沉积速度和镀层’.,(磷)的影响 结果表明,随着P(EDTA-2Na)的增加,化学镀 镍一磷合金沉积速度逐渐降低而镀层"tO(磷)逐渐提 高。在化学镀镍.磷合金反应中EDTA-2Na作为络 合剂使用,随其加入量的增多游离镍离子质量浓度 的减少,镍离子还原速率减慢,使沉积速度降低。 同时镀液中游离镍离子质量浓度降低,在碳钢催化 表面上吸附的Ni 减少,供次磷酸还原为磷的数目 点增多,使镀层W(磷)增多。综合分析镀液中络 合剂P(EDTA-2Na)对沉积速度和镀层W(磷)的 影响并考虑镀液在施镀过程中的有效性,确定镀 液中P(EDTA-2Na)在5 g/L为宜 。 2.6镀层结构分析 将典型工艺条件下得到的镀层[ (P)为11.2%] 委托中国科学院贵阳地球化学研究所作XRD谱图 测试,如图7中所示,在20=40~50。之间出现典型 的馒头峰,表明该镀层的结构是非晶态的。 图7 Ni-P合金镀层XRD谱图 3结论 影响化学镀镍-磷合金工艺的因素很多,且这些 2012年4月 电镀与精饰 第34卷第4期(总229期) ・9・ 因素间相互影响,根据化学镀镍一磷合金的基本原 理,从错综复杂的诸多影响因素中选择主盐质量浓 度、主盐与还原剂摩尔比、辅助络合剂EDTA-2Na质 量浓度、镀液pH、温度为考察对象,以沉积速度和镀 层W(磷)为评价指标,经过实验研究得到以下几点 结论: 1)在酸性镀镍一磷合金镀液中主盐硫酸镍质量 浓度的增加使化学镀镍一磷合金沉积速度先增加后 降低,而镀层W(磷)逐渐降低,分析确定镀液中 P(硫酸镍)为25 L时最佳。 2)在酸性镀镍一磷合金镀液中还原剂次磷酸钠 的质量浓度的增加会显著加速化学镀镍.磷合金沉 积速度并提高镀层中的W(磷),分析确定镀液中 n(硫酸镍):n(次磷酸钠)为0.38,此值与文献 中 所说最大沉积速度时,n(硫酸镍):/7,(次磷酸根离 子)为0.3~0.45相符合。 3)在酸性镀镍一磷合金中镀液pH的升高使化 学镀镍.磷合金沉积速率显著提高,而镀层W(磷)逐 渐降低,经实验确定镀液pH在4.8为最佳。 4)在酸性镀镍-磷合金中需高温施镀,并且随着 温度的升高化学镀镍.磷合金沉积速率显著提高,同 时镀层中的W(磷)也会逐渐增加,经分析确定0为 86—90cCl时最佳。 5)EDTA-2Na在镀液中作为络合剂使用,随着 镀液中P(EDTA-2Na)的增加,游离镍离子质量浓度 降低,镀镍沉积速率逐渐降低,同时镀层中W(磷) 逐渐升高,实验确定镀液中P(EDTA.2Na)为5 L 时最佳。 6)XRD图谱分析结果表明,镀层结构是非晶 态的。 参考文献 简初,刘钧泉.国内外化学镀镍的研究及进展[J].广 东化工,1989,(2):4-5. 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