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典型的铝及铝合金化学镀镍的工艺

2020-09-18伊恩表面处理
   典型的铝及铝合金化学镀镍的工艺过程说明
  1.除油
  铝是一种活泼金属,与酸碱都能剧烈反应,因此相比钢铁基体铝的除油溶液碱性不能太强,以免对铝基体产生过度的腐蚀。因此除油的配方中氢氧化钠的含量一般较低,以磷酸钠、硅酸钠和碳酸钠为主。除油液中的硅酸钠对铝有很好的作用,即使除油液温度较高,除油时间较长,铝的腐蚀也很小,因此可以用于零件精度较高的除油,但是含硅酸盐的碱液必须彻底清洗干净,否则,残留的硅酸盐在浸蚀时遇酸会生成不溶于水的、难以去除的硅酸膜,造成镀层结合力不强,除油最好先用热水清洗、再用冷水,而且应尽快清洗。在除油的过程中,切忘高温碱液因蒸发而干结在零件上,从而导致零件腐蚀。
典型的铝及铝合金化学镀镍的工艺


  2.浸蚀
  浸蚀是前处理中重要的工序。其目的是为了进一步去除铝表面的缺陷,并从铝合金表面去除各种合金元素和杂质,形成均匀的铝表面,为后一道工序提供良好的底材。铝合金中含有铜、镁、硅、锰和锌等合金元素。如果不能去除干净,在这些合金成份上不能直接化学镀镍,容易产生结合力不强或针孔。
  浸蚀可以用碱浸蚀或酸浸湿。用酸浸蚀对铝的腐蚀小,不仅可以保证表面的光洁度,而且由于合金元素去除较彻底,所能达到的结合力较高。酸性浸蚀的腐蚀远低于碱性浸蚀,由于合金的腐蚀一般是电化学腐蚀,合金元素与铝元素基体形成原电池,浸蚀发生在合金元素的周围,当浸蚀严重时容易产生毛细孔洞,这种孔洞进入的溶液很难清洗,当溶液进入化学镍溶液时,孔洞中的脏污会慢慢溢出,轻则造成镀层粗糙,重则引发针孔起泡。对于有些合金采取碱性浸蚀的效果更好。另外对于表面光洁较差或者经加工车削后有螺纹的零件,碱性浸蚀有助于去除化学镍难以完整覆盖的毛刺和锐边。此外,碱性浸蚀有助于在氧化严重的铸件上获得更薄、更均匀的去除氧化膜的新鲜表面。

  3.第一次浸锌
  化学镀镍时,铝的表面有一层致密的氧化膜,这层膜大约有5-20um,不去除它就很难形成后续的镀层。就氧化层本身来说,去除并不困难,问题是在去除氧化膜后的表面与空气接触的表面会迅速形成氧化膜,浸锌的目的一方面是去除这层氧化膜,另一方面是去除氧化膜的同时再铝的表面形成锌的置换层,起阻挡作用,使去除了氧化膜的表面与大气隔绝,免受氧化。浸锌溶液多为强碱溶液,是将氧化锌溶解在浓的氢氧化钠的溶液中,生成锌酸钠:
  2NaOH+ZnO==Na2ZnO2+H2O
  当铝零件浸入这一零件时,表面的氧化层会被强碱溶解
  Al2O3+2OH-==2AlO2-+H2O
  暴露出来的铝会与锌酸钠反应,发生如下置换反应:
  2Al+3ZnO22-+2H2O==3Zn+2AlO2-+4OH-
  浸锌溶液的配合中加入少量的金属盐,是为了与置换了的锌产生合金化作用,改变锌层的晶体学结构,获得细小的晶粒。更重要的是可以改善锌层与各种铝合金的结合力。
  浸锌在室温下进行,第一次浸锌一般为30-50s。浸锌以后,原来白色的表面被一层均匀的灰色锌层所代替。

  4.硝酸退除
  第一次浸锌获得的锌层一般比较粗糙,覆盖不完全,而且浸锌时对基体的腐蚀可能又使合金加杂物暴露出来。为了得到较均匀的浸锌层,一般要用体积比为1:1的硝酸退出,进行第二次浸锌。
  5.第二次浸锌
  经过硝酸退除,进一步纯化了铝的基体,露出更均匀的富铝表面。第二次浸锌就可以获得更好更薄更均匀更致密的浸锌层。第二次浸锌层如果发现色泽不均匀或色斑,需要重新退除,再浸锌。第二次浸锌与第一次相同,也可以是同一缸,但浸锌的时间更短,一般15-20s。
  浸锌后的锌酸盐溶液是碱性很强的溶液,对铝有相当强的腐蚀作用。浸锌的时候首先溶解掉铝表面的氧化膜,进而又腐蚀晶界处和合金元素的周围,容易形成如浸蚀一节所述的毛细孔洞,成为镀层与基体结合的隐患。因此,浸锌与除油、浸蚀一样,十分重要,不可使铝基体产生腐蚀。
  为了避免出现腐蚀,对于像计算机那样的表面质量要求很高,镀层不允许出现缺陷的场合,可以采用酸性浸锌法来替代碱性浸锌,酸性浸锌与前述的酸性浸蚀一样,对铝基体的腐蚀要小的多,也用两次浸锌,但第一次浸锌退除不用硝酸,而用氧化性弱酸容液,因为硝酸盐带入会沾污酸性浸锌溶液,造成结合力问题,第二次浸锌的时间也比第一次浸锌的时间要短,但两次浸锌的时间都比相应的碱性锌酸盐浸锌的长,而对铝的浸蚀仍很小。这样的处理使形成毛细腐蚀孔洞的几率大大减小,针对镀层起瘤的问题基本消除。
  还有一种类似锌酸盐的处理方法,即锡酸盐浸锡法。两种的配方原理相同,某些研究表明,浸锡法对某些铝合金特别有效。

  6.碱性化学镀镍
  工业上普遍采用ph值为4.2-5.2的酸性化学镍溶液。当经浸锌处理的铝零件浸入这种溶液时候,锌层会迅速溶解,这一结果会带来两个不利的影响:
  (1)锌层迅速溶解会使铝材失去保护作用,仍会产生结合力不良的问题,对于老化的镀液,这一问题尤为突出。老化液中积累了各种副产物,使镀液的离子浓度不断提高,加速了对锌层的溶解;
  (2)另一个不利的影响是:浸锌层溶解进入溶液,会沾污镀液,使镀液的寿命缩短。超过一定范围,镀层与基体的结合力就会得不到保证。
  碱性化学镀镍就是经过浸锌处理的零件先在碱性化学镀镍液中镀镍。由于锌在这种碱性介质中的腐蚀速率较小,由于置换反应覆盖一层极薄的镍后(0.5um),再进入酸性化学镀镍的溶液时与镀液接触的阻挡层不是锌层,而是不会在酸性镀液中溶解的,可以引发化学镀镍的镍层,这种镍层既可以保证浸锌层不被过度腐蚀,保护了去除氧化膜的新鲜铝表面,从而保证了镀层的结合质量,同时又可避免锌层溶解到酸性化学镀镍液中,延长了镀液的使用寿命,事实证明,采用这一步骤可以显著减少镀层的缺陷,改善结合力,所谓两种阻挡层指的就是浸锌层和预镀镍层。
  由于碱性化学镀镍的镀层厚度仅为0.5um左右,故不需要经常补充调换。但每次使用之后溶液需要过滤,并在下一次使用前重新调整ph值。

  7.烘烤
  为了去除化学镀镍时吸附的氢气,并释放镀层中存在的应力,提高镀层和基体的结合力,化学镀镍后的铝零件需要进行烘烤处理,一般在130-150℃保温1-1.5h。
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